北京郵電大學寬帶通信網絡實驗室 陳國東 武穆清

    一、CUWB發展的技術背景

    隨著無線技術的快速發展及無線業務的極大豐富，可用的頻譜資源越來越少。近年來，一類重用頻譜資源的無線技術被一些研究機構和標準制訂組織相繼提出，這其中最典型是超寬帶無線通信技術和認知無線電（CR）技術。UWB是采用頻譜重疊的方式占用一段極寬的帶寬，并嚴格限制其信號的發射功率以盡可能少地給現存系統帶來有害干擾；而CR技術的核心則是通過動態頻譜感知來探測“頻譜空洞”，合理地機會占用此臨時可用的頻段，并自適應地隨著感知結果動態地改變系統傳輸參數以規避高優先級的授權主用戶。UWB技術主要定位于個域網WPAN的應用；CR則主要應用于無線區域網WRAN的構建中。CR是可以感知外部RF環境的智能通信系統，是軟件無線電（SWR）的進一步智能化發展。在這兩種無線新技術背后的核心思想都是無害共享可用的頻譜資源，雖然它們共享頻譜及與其它系統共存的方式不同，但都極大地提高了頻譜利用率，以緩解日益增長的無線業務需求與日漸匱乏的頻譜資源之間的矛盾。然而，這兩種非常有前景的技術在自身的發展過程中卻面臨一些困境，為了使它們更快地走向實際應用，我們提出了把超寬帶技術和認知無線電結合起來構建一種所謂的認知超寬帶（CUWB）無線通信系統。

    1．UWB

    超寬帶（UltraWideband，UWB）無線電技術的最初形式為沖激無線電，是直接利用脈寬為納秒或亞納秒脈沖做信息載體傳輸的技術。20世紀90年代之前，UWB主要應用于軍事領域，之后，UWB技術開始應用于民用領域，并在國際上掀起了一股研究熱潮，被認為是下一代無線通信的革命性技術。UWB定義沒有限定它的數據信號的具體實現形式，既可以采用極窄的脈沖形式，也可以采用傳統的載波方式，也就是說包括了任何可以使用超寬帶頻譜的通信形式。因此根據底層UWB信號的實現形式不同，UWB技術目前可分為兩大類：基于窄脈沖式的沖激類UWB和基于調制載波擴頻式的載波類UWB。相應地，目前在國際上占主要地位的UWB設計方案包括直接序列CDMA-UWB方案和多載波OFDM-UWB方案。CDMA-UWB是基于脈沖的UWB方案，而OFDM-UWB是基于多載波的UWB方案，它采用OFDM技術傳輸子帶信息。兩種技術方案各有優缺點，前者有較好的頻譜利用率，易于實現多用戶通信，能夠進行高精度定位和跟蹤，能有效反抗多徑衰落，易于數字化和采用軟件無線電技術構建靈活的射頻前端，但它的頻譜共享的靈活性較差，不利于與其它窄帶系統共存。后者則提高了頻譜的靈活性,但易造成較高的功率峰值與均值比（PAR），易于產生對其它系統的干擾，假如單純地降低發射功率，又會減小傳輸距離，且不利于進一步提高數據傳輸速率。由于這兩大技術陣營的對立，使得面向UWB高速數據傳輸標準制訂的802.15.3a工作組已經解散。目前，由ITU-RTG1/8工作組來負責UWB高速數據傳輸的全球統一標準的制訂工作。

    2．CR

    認知無線電(CognitiveRadio,CR)的概念起源于1999年JosephMitolo博士的奠基性工作，其核心思想是CR具有學習能力，能與四周環境交互信息，以感知和利用在該空間的可用頻譜，并限制和降低沖突的發生。CR的學習能力是使它從概念走向實際應用的真正原因。有了足夠的人工智能，它就可能通過吸取過去的經驗來對實際的情況進行實時響應，過去的經驗包括對死區、干擾和使用模式等的了解。這樣，CR有可能賦予無線電設備根據頻帶可用性、位置和過去的經驗來自主確定采用哪個頻帶的功能。隨著許多CR相關研究的展開，對CR技術存在多種不同的熟悉。最典型的一類是圍繞Mitola博士提出的基于機器學習和模式推理的認知循環模型來展開研究，他們強調軟件定義無線電(Software Defined Radio，SDR)是CR實現的理想平臺。

    針對CR研究中存在的多種描述，美國FCC提出了CR的一個相當簡化的版本。他們在FCC-03322中建議任何具有自適應頻譜意識的無線電都應該被稱為認知無線電CR。FCC更確切地把CR定義為基于與操作環境的交互能動態改變其發射機參數的無線電，其具有環境感知和傳輸參數自我修改的功能。CR是一種新型無線電，它能夠在寬頻帶上可靠地感知頻譜環境，探測合法的授權用戶（主用戶）的出現，能自適應地占用即時可用的本地頻譜，同時在整個通信過程中不給主用戶帶來有害干擾。無線電環境中的無線信道和干擾是隨時間變化的，這就暗示CR將具有較高的靈活性。目前，CR的應用大多是基于FCC的觀點，因此也稱CR為頻譜捷變無線電、機會頻譜接入無線電等。

    當前，在頻譜政策治理部門的帶動下，一些標準化組織采用了CR技術，并先后制定了一系列標準以推動該技術在多種應用場景下的發展。例如，IEEE802.22工作組對基于CR的無線區域網絡WRAN的空中接口標準正在制定中，目標是將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶的空閑頻道有效的利用起來；IEEE802.16工作組正在著手制定h版本標準，致力于改進如策略、MAC增強等機制以確保基于WiMAX的免授權系統之間、與授權系統之間的共存。此外，ITU也在努力尋找類似CR的頻譜共享技術。目前，受CR的潛力及其在無線電領域公認的“下下一件大事情”的激勵，國內不少院校和學者也已經開始了這方面的研究，如西安電子科技大學已經開展的2005年度“863”有關CR技術的研究。

    二、UWB與CR結合的可行性分析

    由于UWB的超寬帶特性，它必然會對共享頻段內的其它窄帶系統產生干擾，并且自身也將受到其它系統在某頻段的強干擾。無線電頻率治理有兩個基本的原則：新的無線電技術不得對已有的無線電臺（系統）造成有害干擾；受到干擾不得提出保護要求，即要能忍受已有無線電臺的各種干擾。因此，UWB系統必將面對兩個比較突出的問題，在共享頻譜的時候不得對已有的窄帶系統造成有害干擾，同時UWB系統也可能受到來自其它系統的強窄帶干擾。目前，所有針對這個問題的解決方案都是針對UWB系統本身進行優化設計，研究思路大都集中在UWB脈沖信號波形（由于IR-UWB具有許多非凡的優點，如易于數字化及軟件化，低成本低功率等，本文限定于IR-UWB）的設計與優化上，以期產生出嚴格遵守FCC等機構制訂的輻射掩模約束條件的脈沖信號，并采用一些有效的抑噪技術來減少對現有窄帶系統的干擾。如尋找一種更優的UWB信號波形，采用自適應編碼、調制、比特交織、波束成形及功率控制等已在蜂窩通信中被驗證能起到抑制干擾作用的相關技術。許多研究已經表明，這種思路要想設計出既符合各相關機構制訂的頻譜掩模約束又可避免相互干擾的脈沖波形是非常有挑戰性的。基于這個考慮，并結合感知無線電具有能感知四周環境非凡是頻譜操作環境的特性，我們把CR技術引入到UWB系統的研究和設計中來，給UWB面臨的上述問題提供一種全新的解決思路，有可能設計出一種全新的高性能UWB系統。采用頻譜感知技術能提高頻譜利用的靈活性，改善頻譜共享，有效抑制窄帶干擾，與其它系統更好地共存，同時還可潛在地提高頻譜的利用率，提高數據傳輸速率和UWB系統的整個性能。例如，UWB在10m范圍內有很高的傳輸速率，但由于受發射功率的限制，10m以外的傳輸速率將大大下降。在感知四周的頻譜環境后，可根據所感知的頻譜信息動態地改變傳輸信道或調整UWB的發射功率，以提高UWB的傳輸距離，并且不會增加其帶給其它系統的有害干擾。于是，針對UWB技術發展過程中所必須面對的共存問題，并結合UWB和CR技術的優點，本文提出這種被稱為認知超寬帶無線系統的全新的UWB系統機制，其有望打破目前UWB技術發展中的僵局。

    另一方面，雖然CR的前景非常誘人，但要真正走向實用還有很長的一段路要走。首先，它必須得到用戶的認可與信任。這個用戶既包括采用CR技術的用戶，也包括可能受CR設備干擾的用戶。在這兩方面達成共識之前，CR技術不可能得到廣泛的應用。其次，從技術上來看，CR技術目前還處于概念階段，相關的理論和要害技術還很不成熟。由于CR具有SWR所擁有的自適應性和重配置能力，CR技術在發展過程中也必將碰到SWR所遭遇的復雜的射頻前端設計挑戰。這樣，目前要實現一個真正意義上的CR系統也必將遭受SWR類似的困境。UWB技術本身所固有的易數字化及擴展性，使得其適合成為支持通用的物理層的技術，從而也使得CR技術的發展避開了SWR發展過程中所碰到的難題。例如，UWB技術將解決CR實現上碰到的一些難題。在RF前端設計中涉及到各種不同的組件，包括天線、放大器、濾波器、低功率高速ADC和DAC等的限制。這些組件要害的發展和局限基本上都與其操作的帶寬有關。再有，超寬帶系統的天線和信號超寬帶特性使其便于進行測頻及系統可使模數轉換器盡量靠近天線端并迅速進入數字信號處理領域的能力，這將給CR的發展帶來機遇。

    三、CUWB系統

    認知超寬帶無線通信系統是結合CR和UWB技術的主要優點來聯合設計研究的一種智能無線系統，是一種基于頻譜感知的具有自適應輻射掩模（或發射功率譜密度）和靈活波形的新型超寬帶系統。該系統的基本原理主要是利用CR能夠感知四周的頻譜環境和UWB系統易于數字化軟件化的特性，依據感知得到的頻譜信息和動態頻譜分配策略來自適應地構建UWB系統的頻譜結構，并生成相應的頻譜靈活的自適應脈沖波形，根據信道的狀態信息進行自適應的發射與接收。

    人們將CR技術和UWB相結合，能針對功率、距離和所要求的數據率進行頻譜優化，能有效地抑制各種干擾，并進一步提高UWB的傳輸速率或傳輸距離。基于CR思想的UWB無線技術的發展將極大地促進智能網絡和設備的發展，形成真正普及和以用戶為中心的無線世界，具有重大的理論與實際意義。另一方面，由于CR和UWB技術都是基于共享頻譜的思想，它們的結合很有可能帶來全新的頻譜治理模式，可能解決目前人為的以頻率為中心進行頻譜治理的缺點（頻譜利用率低），演進為以設備為中心進行治理，為解決日趨緊張的頻譜資源難題提供了一種新的解決方案。同時，它們的結合研究，也有可能為智能認知無線電的最終實現提供一種嶄新的思路。